装配式混凝土建筑近几年的迅猛发展, 给所有建筑师提出了一个新问题:如何用预制的标准化构件表现建筑的个性化。从经济性角度考虑, 我们并不希望混凝土预制构件过于复杂, 并且倾向于选择较为稳妥的涂料饰面, 但带来的结果是建筑外立面观感一般, 并且随着时间推移, 涂料的老化问题也逐渐严重。而用清水混凝土直接表现的方式, 则面临客户审美小众化的制约。瓷板反打, 正是在提高装配式建筑整体档次这一需求之下出现的立面处理工艺。

在北京副中心某周转房项目 (以下简称周转房) 中, 成功应用了瓷板反打技术。设计单位从设计伊始, 针对不同构件提出对应的设计策略, 并在深化过程中, 与瓷板厂家、预制构件厂家、门窗厂家及施工单位紧密配合, 保证瓷板反打的实施效果。该项目建筑设计品质优良, 立面完成度高, 实现了建筑个性化需求与工业化建造技术的成功结合 (见图1) 。

瓷板反打工艺是在制作预制构件时, 将选定的瓷砖或石材在工厂内部与混凝土一同浇筑, 一体成型 (见图2) 。相比干挂或湿贴工艺, 反打工艺成品表面光洁平整, 定位精准, 附着牢固, 能够有效避免冻胀、老化等问题。

反打技术主要采用小型瓷砖 (见图3左) , 但受工艺所限, 不宜在北方大面积使用, 随着反打工艺不断成熟, 反打饰面材料尺寸不断增大, 在装配式建筑技术发展领先的日本, 已经可以反打较大的石材 (见图3右) 。

许多建筑的外墙反打材料采用石材, 石材虽具有较好的观感, 但存在耐酸碱性不足、膨胀率较大、与混凝土黏结强度不稳定等问题, 且不同石材质地相差较大, 这些因素大大增加制作难度。因此, 性能更加稳定的瓷板逐步成为装配式建筑反打饰面的首选。

在北京副中心某周转房项目中, 综合考虑成本、工期、质量等因素, 经过详细论证, 最终选取较大尺寸瓷板作为外立面预制构件的反打材料。

反打饰面与干挂饰面相比, 一旦有修改或损毁, 更换的代价远比干挂饰面要大, 甚至不可更换。因此在设计之初, 应与建筑、结构、机电等专业共同进行技术策划, 确定与建筑立面有关的原则。

建筑基本模数是确定饰面尺寸的基础数据原则, 一般情况下, 瓷板尺寸类型较为单一, 提高建筑立面模数化, 一方面将有效提高瓷板利用率, 减少经济浪费;另一方面, 尺寸相近的建筑模数也将使立面更加规整美观。因此, 在设计之初, 建筑师应在平面、立面、剖面等多重维度中联合建筑、结构、机电等专业, 设立共同的设计原则, 对平面开间、建筑层高、构件尺寸、门窗洞口、机电预留洞口等进行统一规划, 避免后期改动带来的损失。

北京副中心周转房项目平面功能较为复杂, 经过比选, 确定了以450mm为横向模数, 630mm为竖向模数的基本原则, 订购630mm×900mm的瓷板, 保证瓷板利用最大化。

预制构件尺寸是影响瓷板尺寸的基础。因此, 为使瓷板能最大化利用, 减少裁切工作量, 预制构件应考虑尽量符合瓷板尺寸模数, 当确实无法满足时, 应将裁切方式尽量做到统一, 裁掉的瓷板尺寸各边均不宜小于300mm。当需要做转角构件时, 转角短边尺寸应不小于瓷板短边长度, 也不应出现比瓷板长边长度略长的情况。周转房项目中, 转角构件短边尺寸统一为900mm, 1块瓷板可恰好铺满 (见图4) 。

建筑门窗洞口边缘应尽量与瓷板分缝重合, 一方面确保立面规整美观;另一方面, 因瓷板难以反打到洞口侧面, 洞口侧面往往需另加金属封边, 将瓷板分缝保持与洞口边缘重合, 便于封边外檐与墙体饰面统一处理。

预留洞口时, 应尽量考虑尺寸的模数化和相近用途洞口尺寸的统一性, 避免过于灵活的开洞位置对瓷板排布效果造成影响。

建筑立面构件中, 难以避免要出现预留外挑梁板洞口的情况, 当洞口对瓷板布局产生较大影响时, 设计应预先考虑对应手法, 如图5所示。

瓷板反打工艺为设计提供了更加灵活、更加精细的分缝控制手段, 瓷板反打立面一般存在3类分缝, 如图6所示。

1) 第1种缝为建筑构件之间的缝隙一般宽20mm, 多为胶缝填充, 在建筑立面上较为明显, 是立面设计必须考虑的因素。

2) 第2种缝为瓷板之间的横缝相对瓷板间竖缝, 瓷板横缝尺寸相对较为自由, 甚至当有特殊需求时, 横缝可作为尺寸调节的重要元素, 在周转房项目中, 标准层层高3200mm, 除去构件间20mm宽的留缝, 构件净高度为3180mm, 因此, 设计将竖向瓷板反打单列数量定义为X, 单块瓷板高度定义为Y, 瓷板间分缝定义为Z, 得出方程式:XY+ (X-1) Z=3180, 其中X、Y为整数, Y的取值范围为600～700mm。Z初定不大于10mm, 经过列举比较, X为4时, 则方程式为4Y+3Z=3180, Z不大于10mm, 则Y为788mm以上, 相对瓷板而言, 此高度明显有些偏高;同理, 当X=6的时候, Y的高度则最大也仅有530mm, 相对偏小, 因此进一步试验得出, X=5, Y取值630mm, Z则为7.5mm, 整体数据较为合理, 且视觉观感比较均衡。

3) 第3种缝为瓷板之间的竖缝反打的瓷板在立面上往往要满足多种构件洞口尺寸宽度需求, 对缝隙尺寸的适用性要求远高于横缝, 因此瓷板竖缝尺寸不宜过大, 以免影响瓷板宽度布局, 一般以不大于5mm为宜, 同时应不小于2mm (不留缝隙的密拼除外) , 在周转房项目中, 竖缝定为4mm, 既满足整体精致程度, 竖缝带来的尺寸微差也可通过简单打磨瓷板边缘进行消解。

综上可见, 瓷板反打的缝隙设计应在美观的基础上, 兼顾用材经济、工艺要求合理等因素, 避免裁切过多、边角料过小、施工精度过于苛刻导致施工误差更加明显等现象, 确保工程效果的实现 (见图7) 。

瓷板反打预制构件在设计之初, 应将门窗做法结合起来一并考虑, 瓷板的排布应给门窗的造型处理留有余地, 避免不必要的材料做法冲突;门窗设计也应考虑预制构件厚度、窗框收口处胶缝朝向等问题, 保证门窗设计与瓷板效果相协调。

在周转房项目中, 考虑到瓷板反打到门窗洞口侧面有一定难度, 为避免洞口侧面素混凝土外露影响整体效果, 设计之初便确定了以门窗副框外凸、与预制构件外完成面齐平的设计思路, 而瓷板的排布, 既应满足缝隙与洞口边缘基本重合的美观需求, 又应让瓷板的裁切量降到最小。

如图8所示, 以YGB-3#-50-1号挂板为例, 挂板宽3580mm, 高3180mm, 窗洞口尺寸为1800mm×1800mm, 窗侧边缘距离挂板边缘各890mm, 上边缘距离挂板边缘635mm, 下边缘距离挂板边缘745mm。

该挂板进行瓷板排布有以下难点: (1) 窗洞口侧边缘距离挂板边缘均略小于900mm, 裁切难以避免。 (2) 下边缘距离挂板边缘远大于瓷板高度 (630mm) , 1块瓷板无法铺满, 用2块瓷板拼贴, 一方面裁切量较大;另一方面出现高度不足120mm的瓷板, 效果也难以保证美观。

经过设计论证, 该挂板的瓷板类型控制在A B 2种, A型瓷板为完整瓷板, 630mm×900mm, 用于窗洞上下4块瓷板, 两侧瓷板为B型瓷板, 长边均统一裁切为8 8 4 m m, 4块瓷板宽度合计3568mm, 剩余12mm长度, 均匀形成3条4mm的瓷板竖缝, 与窗洞边缘基本重合。

窗洞下部距离瓷板剩余115mm宽度裸混凝土表面, 则需与门窗设计沟通, 在窗台下部, 设计1个120mm宽的金属窗台, 凸出表面50mm, 反扣于瓷板之上, 恰好遮住这一节裸露混凝土面。这一细节设计, 精致美观, 既起到活泼窗洞立面效果的作用, 又兼具披水功能, 可谓一举两得 (见图9) 。

随着项目推进, 业主对立面风格提出适度多样化的要求, 因此, 在第2标段工程地块, 对建筑立面进行了从色彩到细节的调整, 丰富了社区的整体效果, 同时对于门窗洞口的处理也尝试了新的方法 (见图10) 。

第2标段工程中, 设计并未将瓷板边缘与窗洞口平齐, 而是与洞口边缘保持了200mm的距离, 大胆将混凝土表面表现在外, 门窗的副框凸出构件表面50mm, 反扣在混凝土面层之上, 形成瓷板-混凝土-金属窗框3个材质层次, 利用不同材料本身的质感差异, 以及不同做法凸出表面厚度的差别, 形成细腻的光影变化, 成为立面设计的一大亮点, 如图11所示。

装配式混凝土建筑在有抗震要求的地区, 底部加强区一般采用现浇方式, 保障整个建筑的抗震性能。同时, 由于建筑功能和美观的要求, 建筑中也存在露台、挑檐等构件, 这也对反打构件的精细化设计提出更高要求。因此, 瓷板的设计不仅要满足对缝工整、排布美观, 还要考虑与其他构造做法的协调。

在周转房项目中, 以第1标段某6层建筑为例, 该楼首层为现浇结构, 中间两开间为专门的立面设计造型, 该楼边套型中均设开敞花台, 并选取幕墙做法。除此之外, 该楼挂板边缘和底部均需做金属封边处理。

不同的构造, 带来了不同的材质质感及做法厚度, 如何在设计中将这些做法与瓷板反打效果统筹考虑, 是决定工程细节的核心因素。

在设计之初, 建筑师共同确定了几个不同构造的做法厚度:首层现浇段外挂及中间两开间幕墙做法厚度300mm, 开敞花台外包铝板厚100mm, 花台檐口翻边宽50mm, 瓷板反打的无保温预制外墙板厚150mm;同类构造均严格按规定厚度施工作业, 避免构造厚度种类过多增加不必要的施工难度;同时考虑到瓷板的物理性质较脆, 预制外墙板上的瓷板反打和干挂幕墙所用瓷板从施工精度到容错程度上均有差异, 所以不同厚度构造做法之间主要通过金属铝板的线脚和封边进行调节, 避免不同做法的瓷板直接接触。

如图12所示, 首层现浇段, 外立面采用300mm厚干挂瓷板幕墙做法, 在首层与2层交界面上存在150mm厚度差, 因此在2层底部的瓷板反打上预留金属埋件, 首层和2层交界面上设计1条金属线脚, 通过埋件与上下瓷板相连, 化解这一高度差。为防止雨水从瓷板反打和金属线脚的胶缝中渗透进干挂瓷板的龙骨区, 在线脚内部设计中加入1层金属披水, 避免雨水渗漏导致的隐患 (见图13) 。

瓷板反打预制构件边缘长期暴露在外, 容易因各种原因破损, 影响完成效果, 因此, 设计中专门为瓷板最外边缘增加1条金属封边, 固定于预制构件外边缘之上, 封边宽70mm, 厚度与预制构件等同, 均为150mm, 封边与瓷板之间缝隙控制在10mm, 确保两者之间的微小变形不会互相影响, 金属封边这一细节的处理, 既对瓷板起到保护作用, 又使预制构件边缘更加挺拔俊朗。

最外侧挂板金属封边的处理, 使花台外包金属板可直接与其相接, 封边亦可作为花台金属板和预制构件的缓冲, 消解预制构件遇小震轻微变形时对周边带来的影响 (见图14) 。

在选择瓷板尺寸时, 应同时考虑其他材料与瓷板进行统一分缝的可行性.该项目中, 瓷板宽度定在900mm, 既可满足瓷板排布需求, 同样兼顾金属板分割美观性, 金属板的分割完全以相邻瓷板为准, 预制构件之间的20mm缝隙也成为金属板上的装饰凹槽, 线面一体, 三维对应, 整个立面体现一种严谨而高雅的工业美学 (见图15, 16) 。

瓷板反打技术, 尤其是大尺寸瓷板反打技术的应用在国内尚属起步阶段, 可参考案例有限, 通过北京副中心某周转房工程的设计探索, 初步形成一系列设计方法, 总结经验, 以供未来设计参考。

1) 瓷板反打技术需要有完善的前期技术策划, 根据建筑层高及开间面宽, 确定瓷板的具体尺寸和留缝宽度, 并尽可能根据瓷板尺寸确定构件各尺寸模数, 当无法避免裁切时应将瓷板的浪费降到最低。

2) 瓷板反打一旦磨损将难以修补及更换, 因此应注意瓷板反打构件的成品保护, 尤其是瓷板外边缘不宜直接暴露在外, 在诸如门窗洞口之处应有对瓷板的相应保护措施。

3) 瓷板材性硬脆, 因此与不同材质交接的时候应尽量选用具备一定弹性的材质 (如金属) 作为中间过渡材质, 并预留一定容错余地, 避免因外力导致构件振动碰撞损坏瓷板。

瓷板反打的设计是装配式建筑精细化设计的一个重要方面, 通过对瓷板反打各种性能状况的深入分析, 建筑师可实现对建筑完成效果的进一步精细化控制。通过北京副中心某周转房项目实践, 瓷板反打的应用取得令人满意的效果。可预见将来会有更多精美的瓷板反打项目出现, 将使装配式建筑从外观到品质更上一个新台阶。